磁控濺射鍍膜技術的研究及發展趨勢*

（西安航空職業技術學院，陜西西安 710089）

氣相沉積是指氣態（含等離子態）的鍍料物質在基體上沉積，形成薄膜的過程。真空鍍膜技術的實質就是在真空中進行氣相沉積。由于其在制備薄膜方面的特別優勢，已引起越來越多的重視。濺射鍍膜是PVD（物理氣相沉積）的一種，它是借助氣體放電產生的正離子在電場的作用下高速轟擊陰極靶材，使靶材中的原子（或分子）逃逸，沉積到被鍍基材的表面，從而制備出所需要的薄膜[1]。由于沉積溫度低、膜層易于控制、濺射膜的厚度比較均勻等優點，濺射鍍膜能制備許多不同成分和功能的薄膜[2]。但濺射鍍膜也存在著離化率和沉積速率較低以及濺射鍍制的薄膜由于缺乏冶金結合，一般基膜結合力低[3]，在沖擊或交變載荷下易于剝落的問題。

當前，磁控濺射鍍膜技術已經成為應用最為廣泛的一種濺射沉積薄膜方法，其主要表現在磁控濺射鍍膜技術的沉積速率比其它濺射鍍膜方法要高出一個數量級。首先要歸功于磁場中電子的電離度較高，這樣有效地提高了靶材電流密度和濺射效率，而靶材電壓則因氣體電離度的提升而大幅度降低。其次還由于在低壓下濺射逸出的原子被氣體分子散射的概率較小。由于磁場的存在有效地增加了氣體分子與運動電子的碰撞概率，因而可以使工作氣壓降低到二極濺射氣壓的1/20，即可由10Pa降低至0.5Pa。一方面這將大大降低薄膜污染的可能性，另一方面也將增大入射到基材表面原子的能量，后者還可以在很大程度上改善薄膜的質量。

1 基本原理

磁控濺射鍍膜是濺射鍍膜的一種，它克服了其它濺射工藝沉積速率低的缺點，拓展了濺射的應用領域。磁控濺射鍍膜就是在陰極靶材表面上方形成一個正交電磁場（即電場與磁場正交，磁場方向與靶材表面平行），在陰極區，當濺射產生的二次電子被加速變成高能電子后，并不直接飛向基材（陽極），反而是在正交磁場力作用下來回振蕩，類似于作擺線運動，并持續不斷地撞擊氣體分子，從而把能量傳遞給氣體分子，使之發生電離，而其本身則變為低能電子，最終沿磁力線遷移到陰極附近的輔助陽極被吸收，這可避免高能粒子對基材的強烈轟擊，不會引起基材的電子輻射損傷，充分地體現了“低溫”濺射的特性[4-5]。另一方面，正由于磁控濺射產生的高能電子來回振蕩，一般要經過遠距離飛行才能被陽極最終吸收，而氣壓為10-1Pa 量級的電子平均自由程只有10cm 的量級，所以電離度很高，易于放電，它的離子電流密度比其它濺射方法要高出一個數量級以上，濺射速率高達102nm/min～103nm/min，又充分地體現了“高速”濺射的特性[6]。

2 磁控濺射鍍膜技術制備ZnO 薄膜

2.1 試驗設備簡介

試驗所用高真空多功能型磁控濺射設備配有直流和射頻電源。為了控制薄膜沉積過程中室內的溫度特別是基材的溫度，通常采用雙路水循環對基材、靶材和分子泵等進行冷卻，以避免高溫下引發基材的形變和濺射顆粒的擴散。同時利用靶材合理化的設計避免了顆粒、雜質散落到基材表面，以保證生成薄膜的質量。并且靶材與基材間距離沿軸向連續動態可調整，有利于工藝調整和控制。

2.2 冷等離子處理基材

根據后續實驗需求，采用冷等離子處理對部分樣品進行清洗。清洗設備為HD-1A 冷等離子體處理，是采用電容式耦合輝光放電產生的冷等離子體對基材表面進行改性的方法。試驗通過冷等離子體對基材表面的刻蝕性，增加原試樣表面的粗糙度。最終結合一系列試驗得出制備ZnO 薄膜的最佳工藝參數，從而得到更好的基-膜結合強度，可與未經冷等離子體處理的試樣形成鮮明的對比。

2.3 薄膜制備方法的確定

試驗預先嘗試了直流電源和射頻電源兩種方式，在真空室內通過Zn 與O2反應來沉積薄膜，最后擇優選取直流電源，主要原因如下：①大膽創新：查閱國內外關于ZnO 磁控濺射薄膜的文獻，很少選用直流反應濺射薄膜；②效率考慮：直流反應濺射沉積速率高和工藝參數可調節，使得制備薄膜的效率大大提升、從而有利于工程化推廣；③直流反應濺射具有反應基底溫度低、可有效抑制同相擴散、薄膜與基底之間界面結合牢固等優點[7]。此外，直流電源具有功率大、控制精度高等優勢，同時還具有以下其它電源所不具備的多樣化功能：恒流輸出功能，對負載的適應性強；過流、空載禁止輸出及超壓保護三重功能，都對負載及電源能起到有效的保護[8]。

3 磁控濺射鍍膜新技術

3.1 非平衡磁控濺射技術（UBMS）

近年發展起來的非平衡磁控濺射技術是一種磁控靶邊緣的磁力線呈發散狀直達基底表面，在基底表面形成大量離子轟擊，直接干預基底表面濺射成膜的過程。

非平衡磁控濺射技術的運用，使平衡磁控濺射遇到的問題如沉積致密、薄膜成分復雜等得以解決，然而單一非平衡磁控靶材在復雜基材上很難沉積出均勻性的薄膜，而且在電子飛向基材的過程中，隨著磁場強度的減小，一部分電子會吸附到真空室壁上，導致離子和電子的濃度下降。據此，研發人員開發出多靶材非平衡磁控濺射系統，以補充單一靶材非平衡磁控濺射的不足。根據磁場的分布方式，多靶材非平衡磁控濺射系統可分為相鄰磁極相反的閉合磁場非平衡磁控濺射和相鄰磁極相同的鏡像磁場非平衡磁控濺射，圖1 是雙靶材非平衡磁控濺射示意圖。

圖1 雙靶非平衡磁控濺射示意圖Fig.1 Schematic diagram of dual target unbalanced magnetron sputtering

3.2 脈沖磁控濺射技術（PMS）

近年來發展起來的脈沖磁控濺射新技術可以在反應濺射制備絕緣性薄膜的過程中，不斷釋放靶表面積高的電荷，以防止放電打弧的現象，并具有沉積速率高、濺射速率快等優點。脈沖磁控濺射(10kHz～350kHz)已經成為公認的沉積絕緣性薄膜的最佳工藝[9]，最新研究表明[10]：脈沖的磁控管放電也能夠導致比連續的直流放電更熱、更高能等離子體。脈沖磁控濺射技術擴大了沉積靶材的范圍，可提高沉積薄膜的性能。根據介質的性質，占空比和脈沖頻率也可以調節。

4 新型磁控濺射鍍膜技術

隨著先進工業需求以及磁控濺射鍍膜新技術的出現，低壓濺射、高速沉積、復合表面工程技術以及脈沖濺射等新型工藝成為目前該領域的研究熱點。

在常規磁控濺射技術中，低壓濺射的關鍵問題是氣體原子與電子的碰撞概率降低，不足以維持靶材表面的輝光放電，導致濺射沉積無法持續進行。而通過優化磁場設計，可延長電子空間運動距離，非平衡磁控濺射技術即可以實現在10-2Pa 級的真空條件下進行濺射沉積。另外，通過外加電磁場約束電子運動可以實現更低壓強下的濺射沉積。高速沉積可以降低工作氣體消耗、提高工作效率以及獲得新型膜層。目前，高速沉積已經實現了靶材功率密度超過100W/cm2，沉積速率超過1μm/min。在替代傳統電鍍技術方面，高速沉積具有廣闊的前景。

磁控濺射鍍膜技術與其它表面工程技術結合也是磁控濺射鍍膜技術發展的主要方向之一。盡管磁控濺射鍍膜技術具有諸多優點，但是當前在表面工程領域占據的比重仍很小，傳統表面工程技術仍然占據主導地位。限制其應用的一個主要因素是基底材料如有色金屬（鋁、鎂、鈦）無法與濺射技術沉積的超硬的功能性薄膜相匹配。相比高硬度涂層，基底太軟無法承受載荷壓力。反之，對于抗腐蝕性環境，針眼狀缺陷會導致涂層失效。為克服這類問題，因而需要發展復合表面工程技術。

5 結語

磁控濺射鍍膜技術廣泛應用于薄膜制備領域，可以制備工業上所需要的超硬薄膜、耐蝕性薄膜、磁性薄膜、超導薄膜以及光學薄膜等功能性薄膜，但傳統的磁控濺射鍍膜處理技術有很多的局限性，比如設備造價及穩定性仍待進一步改進。相信在未來的科研工作者們研究和不斷優化下，該技術能給各種制造業和設備維護行業的發展提供更多益處，給各種機械零部件和制造行業的發展帶來更大的飛躍。